突破凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)

季小亭　顧全　李愛華

[實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)]

1.實(shí)驗(yàn)過程中要注意：

（1）點(diǎn)燃蠟燭后，將燭焰焰心、光屏中心調(diào)至凸透鏡的主光軸上。為方便操作，我們常將蠟燭、透鏡、光屏靠攏在一起調(diào)節(jié)。

（2）所成的像是實(shí)像還是虛像取決于物距，為了方便操作通常固定凸透鏡，通過移動蠟燭和光屏找像。

（3）前后移動光屏，當(dāng)光屏上出現(xiàn)清晰的像時(shí)，光屏的位置就是像的位置。

2.? 凸透鏡成像規(guī)律及應(yīng)用要牢記：

3. 實(shí)驗(yàn)中的問題要反思：

（1）實(shí)驗(yàn)過程中，蠟燭會越燒越短，像便會逐漸上移，不便觀察。為了使像回到光屏中央，我們可以將蠟燭上移，或者將透鏡下移，或者將光屏上移。

（2）辨別燭焰的像的左右：輕輕地向左或向右吹動燭焰，看像偏移的情況。

（3）為了解決以上兩個(gè)蠟燭的短板問題，我們可用F光源代替蠟燭，其優(yōu)點(diǎn)是：光源穩(wěn)定、便于辨別左右、比使用蠟燭更環(huán)保。

（4）像的亮暗取決于光照強(qiáng)度。當(dāng)光源、透鏡直徑一定時(shí)，透過的光也是一定的，像越小，則像越亮；像越大，則像越暗。同理，當(dāng)透鏡被遮住一部分，或者透鏡面積變小時(shí)，透過的光變少，會導(dǎo)致像變暗。

（5）在實(shí)驗(yàn)過程中，在蠟燭這一側(cè)觀察時(shí)，會看到正立或倒立的像。這是部分光反射回來成的像。正立的像是凸透鏡前表面（凸面）成的像，而倒立的像是凸透鏡后表面（凹面）成的像。

[實(shí)驗(yàn)拓展]

變焦問題：變焦即透鏡的焦距變化，眼睛能看清不同距離的物體的實(shí)質(zhì)，以及生活中使用調(diào)焦相機(jī)，都是凸透鏡的焦距發(fā)生改變。

（1）當(dāng)物距一定時(shí)，凸透鏡的焦距越大，像距越大，像越大；凸透鏡的焦距越小，像距越小，像越小。調(diào)焦相機(jī)便應(yīng)用這一原理調(diào)焦，拍出大小不同的照片。

（2）當(dāng)像距一定時(shí)，物距越大，凸透鏡的焦距越大；物距越小，凸透鏡的焦距越小。人眼能看清遠(yuǎn)近不同的物體，便應(yīng)用這一原理。眼睛的結(jié)構(gòu)決定了視網(wǎng)膜到晶狀體的距離不變，即像距不變。所以當(dāng)我們看近處物體時(shí)，晶狀體焦距變小；看遠(yuǎn)處物體時(shí)，晶狀體焦距變大，使物體射來的光會聚在視網(wǎng)膜上，眼睛就能看清物體。

（3）當(dāng)人眼出現(xiàn)視力缺陷時(shí)，便是晶狀體的調(diào)焦能力出現(xiàn)了問題?？催h(yuǎn)處物體時(shí)，近視眼的晶狀體焦距不能變得足夠大，所以像距變小，像變小，物體射來的光會聚在視網(wǎng)膜前方。要想使來自物體的光恰好會聚在視網(wǎng)膜上，可以利用凹透鏡能使光發(fā)散的特點(diǎn)，在眼睛前放一個(gè)合適的凹透鏡，這便是近視眼的視力矯正。反之，則是遠(yuǎn)視眼的原理與矯正。

[能力提升]

例1 （2023·黑龍江·大慶）某實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行探究凸透鏡成像的實(shí)驗(yàn)，操作如下。

（1）實(shí)驗(yàn)前，調(diào)整燭焰和光屏的中心與凸透鏡的光心在同一高度。正確測出凸透鏡的焦距f，當(dāng)物距 u < f 時(shí)，燭焰成正立、放大的虛像；當(dāng) u = f 時(shí)， ____________（填“能”或“不能”）觀察到燭焰的像；當(dāng) u > f 時(shí)，燭焰成 ____________（填“正立的實(shí)像”“正立的虛像”“倒立的實(shí)像”或“倒立的虛像”）。同學(xué)們分析得出：像的虛實(shí)是由____________大小關(guān)系決定。

（2）當(dāng)蠟燭、凸透鏡和光屏處于圖1所示位置時(shí)，恰好在光屏上成清晰的像，此時(shí)光屏上所成像的特點(diǎn)與____________（填“照相機(jī)”“放大鏡”或“投影儀”）原理相同。

（3）若僅將圖1中凸透鏡換成焦距相同、直徑較小的凸透鏡，光屏上所成的像與原來相比____________（填“變小”“變暗”或“變不完整”）了。

（4）若僅將圖1中凸透鏡換成直徑大小相同、焦距稍小的凸透鏡，則需將光屏? ? ?____________（填“向左”或“向右”）移動才能成清晰的像。

（5）如圖2所示，凸透鏡的焦距為10 cm，保持光屏位置不變，讓蠟燭和凸透鏡分別以4 cm/s 和2 cm/s 的速度同時(shí)沿光具座勻速向左運(yùn)動，經(jīng)過2.5 s，光屏上成清晰? ? ____________（填“放大”“等大”或“縮小”）的像。

答案：（1）不能? ?倒立的實(shí)像? ?物距和焦距? ?（2）投影儀? ?（3）變暗? ?（4）向左? ?（5）等大

[綜合實(shí)踐]

例2 小宋進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)時(shí)，恰好看到窗戶通過凸透鏡在光屏上所成的清晰的像，如圖3所示，此時(shí)凸透鏡和光屏分別在光具座的50 cm、61 cm刻度線處，如圖4所示。

（1）圖3光屏上窗戶的像是倒立、 ____________的實(shí)像，生活中____________ 就是應(yīng)用這一成像原理工作的。如果實(shí)驗(yàn)室只有焦距為“10 cm”和“20 cm”兩種規(guī)格的凸透鏡，根據(jù)他觀察到的現(xiàn)象，可知光具座上凸透鏡的焦距為____________ cm。

（2）把點(diǎn)燃的蠟燭放在光具座的20 cm刻度線處，凸透鏡、光屏保持如圖4所示的位置不變，調(diào)整燭焰焰心和光屏中心至凸透鏡的____________?？梢赃m當(dāng)?shù)叵?/p>

（填“左”或“右”）移動光屏，使光屏上得到燭焰清晰的像。

（3）如圖5所示，當(dāng)凸透鏡位于光具座上A處時(shí)，恰好在光屏上成____________（填“正立”或“倒立”）清晰的像。在保持圖5中蠟燭和光屏位置不變的情況下，將凸透鏡向右移動到B處（圖中未標(biāo)出），光屏上再次成清晰的像。若已知蠟燭與光屏間的距離為L0，蠟燭與凸透鏡第一次所在位置A間的距離為L，如圖5。則該透鏡焦距f ____________L（填“>”“<”或“=”），透鏡先后兩次所在位置A、B之間的距離s = ____________（用L0、L表示）。

（4）圖6是小明用透明橡皮膜制作的一個(gè)水透鏡，利用注射器向水透鏡內(nèi)注水或往外抽水來改變水透鏡的焦距模擬人眼的晶狀體，進(jìn)行眼睛視物原理的探究。

①要想模擬正常人眼睛的成像情況，需要把圖中的蠟燭向____________（填“左”或“右”，下同）移動，再向____________ 移動光屏得到清晰的像。

②保持水透鏡、燭焰和光屏位置不變的情況下，向水透鏡內(nèi)注水，發(fā)現(xiàn)光屏上的像變模糊。向____________移動光屏，再次出現(xiàn)清晰的像，這是在探究____________眼的成因。若不移動光屏，要在光屏上得到清晰的像，也可以在蠟燭和水透鏡之間加一個(gè)焦距合適的____________透鏡。

答案：（1） 縮小 照相機(jī) 10 （2）主光軸上 右 （3）倒立 < L0 - 2L ? ? ?（4） ①左 左 ②左 近視 凹

（作者單位：江蘇省阜寧縣明達(dá)初級中學(xué)）